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    耐久抗靜電和導電性黑色滌綸織物的制備及其性能

    2021-10-23 01:05:00候禮文朱亞偉趙曉華肖瀛洲
    絲綢 2021年10期
    關鍵詞:抗靜電黏合劑導電性

    候禮文 朱亞偉 趙曉華 肖瀛洲

    摘要: 為制備抗靜電和導電的黑色滌綸織物,文章研究了基于水性納米炭黑乳液和黏合劑分別與液體分散黑染料、樹脂增深劑的同浴軋染整理,對薄型滌綸雙縐織物抗靜電性和厚型滌氨綸織物導電性及色深度的影響。結果表明:當炭黑2860F、分散黑GK和黏合劑5S的質(zhì)量分數(shù)為5.0%、6.0%和4.0%時,薄型滌綸雙縐具有優(yōu)異的抗靜電效果,經(jīng)10次水洗后抗靜電效果仍為A級;當炭黑2860F、樹脂增深劑MD和黏合劑5S的質(zhì)量分數(shù)為15.0%、4.0%和15.0%時,厚型滌氨綸織物具有優(yōu)異的導電性,經(jīng)10次水洗后織物電阻和電阻率分別為5.07 kΩ和8.77 kΩ·cm;2種試驗織物手感柔軟,且摩擦色牢度都不低于3~4級。

    關鍵詞:

    炭黑;滌綸織物;抗靜電性;導電性;色牢度;軋染整理

    中圖分類號: TS101.923;TQ342.2

    文獻標志碼: A

    文章編號: 1001-7003(2021)10-0012-06

    引用頁碼: 101103

    DOI: 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.10.003(篇序)

    Preparation and properties of durable antistatic and conductive black polyester fabrics

    HOU Liwen1, ZHU Yawei1, ZHAO Xiaohua2, XIAO Yingzhou3

    (1.College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2.Suzhou Inster Textile Digital Technology Co., Ltd.,Suzhou 215129, China; 3.Zhuji Yuezhou New Material Co., Ltd., Shaoxing 311803, China)

    Abstract:

    To prepare antistatic and conductive black polyester fabric, this paper is focused on investigating the effects of water-based nano-carbon black emulsions and adhesives on the antistatic property, conductivity and color depth of thin polyester crepe de chine fabric when co-bath pad dyeing finishing with liquid disperse black dyes and resin deepening agents respectively. The results show that when the mass fractions of carbon black 2860F, disperse black GK and adhesive 5S is 5.0%, 6.0% and 4.0%, respectively, thin polyester double crepe fabric has excellent antistatic effect, and its antistatic effect still maintain A grade after 10 times of washing, When the mass fractions of carbon black 2860F, resin sounder MD and binder 5S is 15.0%, 4.0% and 15.0%, respectively, the thick polyester spandex fabric has excellent electrical conductivity, and after 10 times of washing, its resistance and resistivity is 5.07 kΩ and 8.77 kΩ·cm, respectively. The two fabrics have soft hand feel, with a friction color fastness of not lower than 3-4 grade.

    Key words:

    carbon black; polyester fabric; antistatic property; electrical conductivity; color fastness; pad dyeing finishing

    收稿日期: 2021-04-01;

    修回日期: 2021-09-14

    基金項目: 紡織行業(yè)紡織材料阻燃整理重點實驗室建設經(jīng)費資助項目(Q811580421)

    作者簡介: 候禮文(1996),男,碩士研究生,研究方向為染料商品化技術及紡織印染新技術。通信作者:朱亞偉,教授,yaweizhu@suda.edu.cn。

    滌綸織物的耐久性抗靜電一直是紡織領域的技術難點,如今以柔性和高附加值的智能型導電和抗靜電紡織面料已被許多行業(yè)所吸引,開發(fā)導電和抗靜電的滌綸織物具有巨大的市場需求。原料來源廣泛和低價的碳基材料,如導電炭黑和石墨烯等,具有優(yōu)良的導電性,已開始受到紡織行業(yè)的重視。導電炭黑和石墨烯雖具有優(yōu)良的導電性,但碳基材料缺乏與滌綸織物的親和性,仍需要通過對炭黑進行改性、修飾和借助黏合劑等才能固著于纖維紗線間和纖維表面[1]。導電性碳基材料常采用印制、涂層、浸軋、自組裝沉積負載等方法施加于纖維或織物表面,纖維表面的有效導電組份含量決定了導電性的強弱,可進一步制得抗靜電和導電的織物。如將含納米炭黑和黏合劑的色漿直接印制在滌綸織物上,能制備出靜電壓和半衰期分別為740 V和3.79 s的抗靜電滌綸[2];滌綸織物經(jīng)4次導電炭黑涂層,其表面電阻為1.20 kΩ[3];將炭黑分散在PET樹脂或含苯酚/四氯乙烷溶液、鈦酸酯偶聯(lián)劑的PET樹脂中,再均勻涂層滌綸纖維,能制備出表面電阻約300 Ω和電阻率為102 Ω·cm的滌綸導電纖維[4-5];以聚乙撐二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸鹽、炭黑為導電性材料,丙烯酸乙烯酯為黏合劑,采用浸漬法能制備出電阻為300~500 Ω的導電滌綸纖維[6];在滌綸織物表面經(jīng)納米炭黑和多巴胺室溫自聚合24 h,僅能制得電阻為14 kΩ的導電滌綸織物[7]。為增加導電滌綸織物的導電性,導電性更強的石墨烯也得到廣泛的研究。如將多巴胺原位聚合和氧化石墨烯循環(huán)浸漬層層自組裝負載制備抗靜電滌綸織物,平紋和斜紋滌綸織物的靜電壓(半衰期)分別為1 156 V(1.210 s)和1 243 V(1.510 s)[8];將石墨氧化為氧化石墨烯,再用水合肼將氧化石墨烯還原成石墨烯,結合水性聚氨酯的軋烘焙工藝制備的抗靜電滌綸織物,其靜電壓(半衰期)為932 V(0.54 s)[9];先將滌綸經(jīng)乙二胺和氫氧化鈉改性,再浸漬氧化石墨烯和還原成還原氧化石墨烯,制得電阻為14.575 kΩ的導電滌綸織物[10]。

    導電性碳基材料是目前研究的熱點,但在紡織行業(yè)的應用仍存在困難,一是碳基材料的黑灰色特性,二是碳基材料與纖維結合牢度和柔軟手感的協(xié)同和平衡,三是碳基材料在織物上施加方式選擇和吸附量,四是水性改性碳基材料本身性能及放置穩(wěn)定性。為此,本文制備了高質(zhì)量分數(shù)和穩(wěn)定的水性納米級炭黑乳液,采用軋烘焙工藝,探討炭黑分別與黑色分散染料、增深樹脂、黏合劑同浴處理,制備深黑色抗靜電或?qū)щ姷臏炀]織物。

    1 試 驗

    1.1 材料和儀器

    織物:100%滌綸的滌綸雙縐(平方米質(zhì)量75 g/m2)和92%滌綸、8%氨綸混紡的滌氨綸(平方米質(zhì)量349 g/m2)(吳江和盛至美時裝面料有限公司)。

    試劑:粉狀炭黑2860F(安徽黑鈺顏料新材料有限公司),由分散藍79、橙44、紫93組成的強度為120%的液體分散黑GK和陰離子型勻染劑MP(諸暨市悅洲新型材料有限公司),增深樹脂MD(改性丙烯酸環(huán)氧樹脂)、流平劑L229(端羥基超支化聚酯)、研磨劑AL50(陰/非離子表面活性劑復合物)、涂料印花黏合劑HS和陰離子型滲透劑XT(蘇州常春藤進出口有限公司),丙烯酸酯類黏合劑MN、丙烯酸酯類黏合劑FC65、丙烯酸酯-丙烯腈-有機硅改性共聚物黏合劑5S(自制),仿活性涂料印花黏合劑HF(合肥聚合輻化技術有限公司),水性聚氨酯PU10(深圳市吉田化工有限公司),均為工業(yè)級。

    儀器:EL-400型立式軋車(上海朗高紡織設備有限公司),10L氧化鋯研磨機(定制),Zetasizer Nano ZS90粒度儀(英國Malvern公司),Ultranscan-XE電腦測色配色儀(美國Hunter Lab公司),S-5109型靜電測試儀(日本Shishico公司),ST2258C型多功能數(shù)字式四探針電阻測試儀(蘇州晶格電子有限公司),KES織物風格儀(日本京都大學),H-9500ETEM透射電鏡(日本日立公司),Y571B型摩擦色牢度儀、SW-24型水洗色牢度儀(寧波紡織儀器廠)。

    1.2 方 法

    1.2.1 水性納米炭黑乳液制備

    在立式連續(xù)氧化鋯研磨機中,將720.0 g炭黑2860F粉體、208.8 g研磨劑AL50、43.2 g防沉劑L229和1 908.0 g水混合,研磨1 h,過濾制得質(zhì)量分數(shù)為25%的水性炭黑2860F納米乳液。

    1.2.2 軋染整理工藝

    配制染色整理液→二浸二軋(帶液率85%)→烘干→焙烘(180 ℃,3 min)→熱水洗(80 ℃,5 min)→烘干。

    1.3 性能測試

    1.3.1 水性納米炭黑乳液粒徑大小和微觀形貌

    在Zetasizer Nano ZS90粒度儀上測試水性納米炭黑乳液的平均粒徑D50(nm)和分散指數(shù)PDI;在H-9500ETEM透射電鏡上觀察水性納米炭黑乳液的微觀形貌。

    1.3.2 織物抗靜電性和導電性

    在S-5109型靜電測試儀上測試靜電電壓(kV)和半衰期(s),在ST2258C型多功能數(shù)字式四探針電阻測試儀上測試電阻(kΩ)和電阻率(kΩ·cm),測試條件為溫度20 ℃、濕度35%,試樣平衡24 h,測試5次取平均值。

    1.3.3 織物染色性能

    在Ultranscan-XE電腦測色配色儀上測試明度(L*值),測試3次取平均值。在Y571B型摩擦色牢度儀上按GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》測試色牢度;在SW-24型水洗色牢度儀上進行耐水洗性試驗,水洗溫度50 ℃,皂液4 g/L,時間45 min,浴比1︰10。

    1.3.4 織物彎曲性能

    在KES織物風格儀上按照FZ/T 01054.1—1999《織物風格試驗方法總則》測試彎曲剛度(B值,cN·cm2·cm-1=cN·cm)和彎曲滯后距(2HB值,cN·cm·cm-1=cN),測試條件為溫度20 ℃、濕度65%,試樣平衡24 h,測試3次取平均值。

    2 結果與分析

    2.1 水性納米炭黑乳液的性能

    納米炭黑2860F乳液的粒徑D50和分散指數(shù)PDI隨著放置時間的變化,能間接表明水性納米乳液的放置穩(wěn)定性。圖1為自制炭黑乳液的放置穩(wěn)定性。由圖1可知,隨著放置時間的增加,炭黑乳液D50和PDI分別為147.21~162.27 nm和0.63~0.75,其D50和PDI變化較小;這說明在防沉劑和研磨劑的共同作用下,炭黑微粒間存在斥力,不會產(chǎn)生沉降和團聚現(xiàn)象,具有良好的分散和放置穩(wěn)定性,如炭黑乳液放置45 d,D50僅增加約15 nm。

    圖2為炭黑2860F乳液的透射電鏡圖。由圖2(a)可知,炭黑乳液的微觀形貌呈不規(guī)則圓型,粒徑125~155 nm,說明分散劑和防沉劑與炭黑存在相互作用,將炭黑包覆;而聚集體呈鏈狀結構和少量片層狀結構(圖2(b))。基于炭黑能形成納米級的鏈狀聚集體,能增強助劑與炭黑的相互作用力,能有效防止微粒間的聚集,能在水性體系中穩(wěn)定分散,這是水分散性納米粉體應用的前提之一。

    2.2 水性納米炭黑乳液整理滌綸織物的性能

    固定液體分散黑GK、黏合劑5S和勻染劑MP的質(zhì)量分數(shù)分別為6.0%、4.0%和0.5%,炭黑2860F乳液質(zhì)量分數(shù)對滌綸雙縐織物性能的影響見表1。由表1可知,當浸軋染液中不含有炭黑2860F時,制備的黑色織物具有優(yōu)異的摩擦色牢度,摩擦色牢度都不低于4級,但不具有抗靜電性,靜電電壓達1.26 kV,半衰期高于60 s;隨著炭黑質(zhì)量分數(shù)或增重率的增加,滌綸雙縐的摩擦色牢度降低,濕摩擦色牢度下降更明顯;但增加了抗靜電性,如炭黑為5%時,靜電電壓為0 kV,半衰期為0 s,具有優(yōu)異的抗靜電性;繼續(xù)增加炭黑質(zhì)量分數(shù),因炭黑與纖維缺乏親和力,過量的炭黑吸附會導致炭黑在織物表面分布不勻引起靜電電壓稍有增加。另外,增加炭黑質(zhì)量分數(shù),黑色滌綸雙縐的L*值增加,織物色深度下降,這是因為炭黑是一種標準黑,黑度比分散黑GK低,炭黑在紗線間及纖維表面的覆蓋,對分散染料起到一定的消色作用,降低了L*值和摩擦色牢度。

    固定聚氨酯PU10、勻染劑MP和滲透劑XT的質(zhì)量分數(shù)分別為10.0%、1.0%和1.0%,炭黑2860F乳液質(zhì)量分數(shù)對滌氨綸織物性能的影響見表2。由表2可知,隨著浸軋染液中炭黑乳液質(zhì)量分數(shù)的增加,滌氨綸織物的色深度呈先降低后增加的變化,這說明增加炭黑質(zhì)量分數(shù)并不能明顯提高織物色深度,反而會引起濕摩擦色牢度的極明顯下降,而干摩擦色牢度的下降較小。增加炭黑質(zhì)量分數(shù),滌氨綸織物的電阻和電阻率明顯降低,具有良好的導電性,如炭黑為15.0%時,滌氨綸織物的電阻和電阻率分別為1.98 kΩ和3.61 kΩ·cm,但濕摩擦色牢度僅為2級。

    綜上,當炭黑質(zhì)量分數(shù)為4%和5%時,能分別制備出半衰期低于5 s的B級和低于2 s的A級抗靜電滌綸雙縐織物;當炭黑質(zhì)量分數(shù)為15%和20%時,能分別制備出電阻低于2×103 Ω和1×103 Ω的優(yōu)良導電性的滌氨綸織物;但摩擦色牢度都較差。

    2.3 黏合劑整理滌綸織物的性能

    固定液體分散黑GK、炭黑2860F和勻染劑MP的質(zhì)量分數(shù)分別為6.0%、5.0%和0.5%,分別加入3.0%的5種黏合劑(MN、HF、HS、FC65和5S),不同種類的黏合劑對滌綸雙縐織物性能的影響見表3。由表3可知,黏合劑種類對滌綸雙縐織物的增重率和L*值的影響較小,但會明顯影響到織物的抗靜電效果和摩擦色牢度。黏合劑MN的摩擦色牢度不低于3級,但抗靜電效果為C級;黏合劑HS的摩擦色牢度最低,且抗靜電效果最差,靜電電壓為0.75 kV,半衰期為36.00 s。而3種黏合劑(HF、FC65和5S)的摩擦色牢度和抗靜電效果接近,黏合劑HF和FC65的靜電效果為B級;黏合劑5S的抗靜電效果最好,靜電電壓和半衰期分別為0 kV和0 s,抗靜電效果為A級,具有優(yōu)異的抗靜電性。黏合劑多是丙烯酸和丙烯酸酯共聚物,當丙烯酸或甲基丙烯酸含量增加時,因—COOH的親水性,對靜電的影響較小,如黏合劑MN和HF;當增加丙烯酸丁酯含量,雖增加了黏合劑的柔軟性,但酯鍵的疏水性對靜電的影響最大,如黏合劑HS;黏合劑5S中除含有少量丙烯酸外,結構中引入丙烯腈和有機硅D4,能減弱丙烯酸丁酯對靜電的不利影響。

    優(yōu)選的黏合劑為黏合劑5S,改變黏合劑5S質(zhì)量分數(shù),染料黑GK/炭黑2860F同浴整理的滌綸雙縐織物性能見表4。由表4可知,隨著黏合劑5S質(zhì)量分數(shù)或增重率增加,對滌綸雙縐的抗靜電效果較小,最高的靜電電壓為0.01 kV,半衰期為0 s,抗靜電效果均為A級;黏合劑5S質(zhì)量分數(shù)對色深度的影響較小,但對摩擦色牢度的影響很大,當黏合劑5S質(zhì)量分數(shù)為4.0%時,摩擦色牢度不低于3級。

    固定炭黑2860F、勻染劑MP和增深劑MD的質(zhì)量分數(shù)分別為15.0%、1.0%和4.0%,分別加入10%的5種黏合劑(HF、FC65、5S、PU10和HS),黏合劑種類對滌氨綸織物性能的影響見表5。由表5可知,5種黏合劑質(zhì)量分數(shù)對織物色深度和增重率的影響較小,對干摩擦色牢度無影響,會明顯降低濕摩擦色牢度;不同黏合劑對電阻和電阻率的影響較明顯,2種黏合劑(FC65和PU10)的電阻和電阻率較高,電阻高于2.0 kΩ,降低了織物的導電性;3種黏合劑(HF、5S和HS)的電阻低于2.0 kΩ,以黏合劑5S的導電性最好,電阻和電阻率分別為1.46 kΩ和2.53 kΩ·cm,但濕摩擦色牢度僅為2級。

    與滌綸雙縐相比,厚重的滌氨綸織物增重率明顯增大,織物上炭黑質(zhì)量分數(shù)明顯增加,炭黑導電性更依賴于顆粒接觸面積的增大和制備、改性方法[11],如導電炭黑的石墨化度越高,粒徑越小,表面極性越強,其導電性越好[12];另外,少量二維片層狀平帶結構的電子相互間作用力很強,能產(chǎn)生特殊的電學性能[13]。因此,當織物上炭黑質(zhì)量分數(shù)較高時,黏合劑在織物表面的成膜性能的優(yōu)劣會影響到織物導電性,如成膜較好和較硬的聚氨酯PU10和黏合劑FC對導電性影響較大,而成膜較好和較柔軟的黏合劑5S對導電性影響較小。

    優(yōu)選的黏合劑為黏合劑5S,改變其質(zhì)量分數(shù),炭黑2860F/增深劑MD同浴整理的滌氨綸織物性能見表6。由表6可知,隨著黏合劑5S質(zhì)量分數(shù)或增重率增加,輕度降低了織物色深度,增加了織物電阻和電阻率,降低了織物的導電性;提高了濕摩擦色牢度,當黏合劑5S為25%時,濕摩擦色牢度達3~4級,但織物的手感較硬;優(yōu)化的黏合劑5S質(zhì)量分數(shù)為15.0%,織物的電阻和電阻率分別為4.31 kΩ和7.50 kΩ·cm,摩擦色牢度不低于3級,具有良好的導電性能,織物有柔軟的手感。

    2.4 炭黑整理滌綸織物的耐水洗性和風格

    采用上述優(yōu)化工藝,滌綸雙縐織物為6.0%液體分散黑GK、5.0%炭黑2860F、4.0%黏合劑5S;滌氨綸織物為15.0%炭黑2860F、4.0%增深劑MD、15.0%黏合劑5S。分別制備了黑色抗靜電滌綸雙縐織物和黑色導電滌氨綸織物,經(jīng)水洗,其性能變化見表7和表8。

    由表7可知,滌綸雙縐織物經(jīng)炭黑整理,其靜電電壓由1.28 kV下降至0 kV,半衰期為0 s,摩擦色牢度不低于3級;經(jīng)5次和10次水洗,仍具有優(yōu)異的抗靜電性,靜電電壓僅為0.01 kV,半衰期為0 s,且水洗能去除織物少量未固著的炭黑,摩擦色牢度不低于3~4級;與原布相比,炭黑整理滌綸雙

    縐織物的B值變化較小,2HB值增加,說明經(jīng)炭黑整理不會改變織物彎曲剛性,但織物反彈性稍有下降。由表8可知,滌氨綸織物經(jīng)炭黑整理,其電阻下降了108 kΩ,織物電阻和電阻率分別為4.31 kΩ和7.50 kΩ·cm,具有優(yōu)異的導電性,摩擦色牢度不低于3級;經(jīng)5次和10次水洗,仍具有優(yōu)異的導電性,其電阻和電阻率下降率都低于18%。同樣,隨著水洗次數(shù)的增加,摩擦色牢度有增加的趨勢。與原布相比,炭黑整理滌氨綸織物的B值和2HB值都增加,說明經(jīng)炭黑整理會增加織物彎曲剛性和降低織物反彈性;這是黏合劑5S能在織物表面成膜及極性丙烯腈的作用引起的,而滌氨綸織物的高吸液量導致織物上有更多的黏合劑,表現(xiàn)出比滌綸雙縐織物更高的挺括性和剛性。

    3 結 論

    采用合適改性方法制備的水性炭黑和黑色分散染料的一步法加工,能制備出滿足市場需求的抗靜電和導電性的功能滌綸織物。

    1) 采用研磨制得的水性炭黑粒徑較小,放置穩(wěn)定性和導電性優(yōu)良,較高的石墨化度和少量二維片層狀平帶結構增加了炭黑導電性。

    2) 滌綸雙縐織物經(jīng)5.0%炭黑2860F、6.0%液體分散黑GK和4.0%黏合劑5S的軋烘焙工藝處理,能制備出耐水洗性優(yōu)良、抗靜電的黑色滌綸織物,其抗靜電性能達到A級,且經(jīng)10次洗滌的抗靜電性能仍為A級,具有優(yōu)良耐水洗性。

    3) 滌氨綸織物經(jīng)15.0%炭黑2860F、4.0%增深劑MD和15.0%黏合劑5S的軋烘焙工藝處理,能制備出耐水洗性優(yōu)良、導電性的黑色滌綸織物,其電阻率低于104 Ω·cm,經(jīng)10次洗滌的電阻和電阻率為5.07 kΩ和8.77 kΩ·cm,具有優(yōu)良耐水洗性。

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